視覺識別技術(shù)在煙葉分級中的應(yīng)用

梅 靜

（四川省煙草公司廣元市公司，四川 廣元 628300）

煙草通常單指煙葉類植物，而煙葉是煙草植物的葉片。煙葉分為正在生長的煙草作物上的葉子和已經(jīng)初步調(diào)制過但沒有加工成煙絲制品的煙葉。煙草從煙草植物到制成煙絲成品需要經(jīng)過多個工藝制作流程，只有經(jīng)過多重加工后才能成為商品流向市場銷售。當(dāng)前，烤煙的煙葉等級優(yōu)劣是根據(jù)煙葉的來源、葉片結(jié)構(gòu)、成熟度、油分及色度等進(jìn)行評定的［1，2］。在現(xiàn)行的煙葉分級標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)煙葉等級特征的標(biāo)準(zhǔn)大部分僅限于煙葉外觀方面的描述，因此，分級人員對于煙葉等級定量方面的判定存在一定的難度。同時，目前分級人員評判煙葉等級的主要方式是感官和經(jīng)驗結(jié)合的方式，不同的分級人員在感官、經(jīng)驗及分級標(biāo)準(zhǔn)理解方面是具有差異的，僅依靠較強(qiáng)主觀性的感官與經(jīng)驗評定，易造成煙葉的收購等級評定不夠準(zhǔn)確，對于煙葉的收購和生產(chǎn)是不利的［3］。因而，為了防止煙葉收購過程中分級人員的主觀性與經(jīng)驗性對煙葉等級評定造成影響，煙草工業(yè)未來的發(fā)展趨勢是運(yùn)用智能化技術(shù)逐步替代人工進(jìn)行煙葉分級。

1 煙葉分級現(xiàn)狀、原因及應(yīng)對建議

1.1 煙葉分級現(xiàn)狀

通過對煙葉分級的深入研究，了解到煙葉的分級是指對同組煙葉進(jìn)行有效的質(zhì)量等級劃分，之后根據(jù)分級狀況對煙葉進(jìn)行再次加工處理，從而改善煙葉的后期加工問題，保障煙葉的質(zhì)量。然而，通常會由于烤煙基礎(chǔ)因素的影響，導(dǎo)致煙葉分級存在一些問題。同時，由于相關(guān)人員缺乏對煙葉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知，分級時缺乏標(biāo)準(zhǔn)化參考依據(jù)，造成分級出現(xiàn)各種問題，對煙草行業(yè)各級煙葉質(zhì)量安全造成嚴(yán)重的影響。

例如，在2019 年的煙葉收購等級質(zhì)量抽檢中，以抽取片煙還原把煙的方式，抽取劍門關(guān)、普安、木馬3 個煙點(diǎn)C3F 煙葉等級各200 把，按照《烤煙國家標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2635—1992）現(xiàn)場定級。具體抽檢情況見表1。

表1 2019年C3F等級質(zhì)量抽檢情況統(tǒng)計

從表1 可以看出，2019 年C3F 平均等級合格率為68.0%，存在不同程度的混高、混低、混色及正副混組等情況。主要表現(xiàn)如下：①混高，C2F 混入C3F；②混低，將C4F、C3L混入C3F；③混色，將C3L混入C3F；④混部位，將B2F混入C3F。

1.2 原因分析及應(yīng)對建議

1.2.1 管理部門監(jiān)督有效性不足。相關(guān)的管理部門在開展煙葉分級工作時，沒有進(jìn)行有效的監(jiān)督管理。所以，如果發(fā)生了煙葉分級事故，相關(guān)部門難以及時有效地解決問題，可能導(dǎo)致其他相關(guān)聯(lián)的問題不斷出現(xiàn)。

1.2.2 煙農(nóng)素質(zhì)和分級技術(shù)差。當(dāng)前煙農(nóng)隊伍普遍存在人口結(jié)構(gòu)老齡化、文化水平不高、技術(shù)升級能力有限等問題。同時，煙葉分級人員以煙農(nóng)或者臨時工為主，他們通常是憑借個人經(jīng)驗及感覺進(jìn)行煙葉分級處理，因此出現(xiàn)了煙葉分級技術(shù)上的操作偏差。加之部分煙農(nóng)為了一些不當(dāng)利益，在煙葉分級中摻假，導(dǎo)致部分煙葉檢測不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而對煙葉等級的質(zhì)量及收購造成不良影響。

1.2.3 檢查指導(dǎo)缺乏。首先，由于對來料的檢驗及查收不到位，導(dǎo)致出現(xiàn)因煙農(nóng)報關(guān)操作不當(dāng)造成來料濕度大、水分超標(biāo)的情況；其次，由于部分煙農(nóng)的思想認(rèn)識不足，來料中混入了雞毛、纖維類物質(zhì)；再次，進(jìn)行煙葉分級之前，由于缺少對相關(guān)操作人員的技能知識培訓(xùn)，導(dǎo)致分級后相同級別的品質(zhì)存在差異；然后，在煙葉分級過程中，缺乏必要的指導(dǎo)以及相關(guān)的監(jiān)督和驗收機(jī)制；最后，分級稱量檢查執(zhí)行不到位，導(dǎo)致分級質(zhì)量受到影響。

1.3 應(yīng)對建議

第一，加強(qiáng)對煙葉分級人員的技能培訓(xùn)，提升相關(guān)人員的操作質(zhì)量，同時及時、有效地解決煙葉分級過程中出現(xiàn)的問題。

第二，建立一套完善的專業(yè)服務(wù)體系，并制定詳細(xì)的管理方式，嚴(yán)格執(zhí)行煙葉分級操作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行統(tǒng)一化管理及考核，保障煙葉分級質(zhì)量的一致性。同時，可以加強(qiáng)各站點(diǎn)技術(shù)人員對于分級人員的交流與指導(dǎo)，并且對完成煙葉分級的產(chǎn)品進(jìn)行扎捆、堆放指導(dǎo)，保障分級技術(shù)能得到提升。

第三，相關(guān)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對于煙葉分級的監(jiān)督管理，可以成立相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)管小組，對管轄范圍內(nèi)的煙葉分級進(jìn)行不定期抽查，嚴(yán)格執(zhí)行關(guān)于煙葉分級的考核標(biāo)準(zhǔn)及要求。對于煙葉分級操作不合規(guī)、分級質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的行為，通過明確相關(guān)的處罰標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行懲罰，并督促其整改到位，通過層層監(jiān)督達(dá)到提升煙葉分級質(zhì)量的目的。

2 應(yīng)用智能化技術(shù)進(jìn)行煙葉分級的優(yōu)勢

目前，通常選擇對煙葉內(nèi)部化學(xué)成分進(jìn)行檢測的方式，來判斷與分析煙葉的品質(zhì)。從客觀情況來看，現(xiàn)有的技術(shù)水平不能得出煙葉內(nèi)部成分構(gòu)成與煙葉品質(zhì)間的相關(guān)性。在這種情況下，煙葉分級采用化學(xué)成分的參考方式仍存在一定的不足。而在第42 屆煙草化學(xué)家研究的相關(guān)會議上，Thomas提出了關(guān)于圖像分析技術(shù)在煙草檢驗及分級上應(yīng)用的觀點(diǎn)［4］，打開了相關(guān)研究者在這個領(lǐng)域進(jìn)行探究的大門。目前，隨著計算機(jī)視覺及圖像識別技術(shù)的飛速發(fā)展，為煙葉分級自動化技術(shù)提供了更為有利的發(fā)展條件。對于煙草行業(yè)來說，找到一種適合現(xiàn)代科技發(fā)展需求的煙葉分級方式，用智能化生產(chǎn)代替人工進(jìn)行煙葉的分選、定級，是實現(xiàn)煙葉分級質(zhì)量提升、效益增加的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一［5，6］。智能化煙葉分級的核心部分就在于模擬人眼來區(qū)分煙葉質(zhì)量的差異，模擬人腦分選煙葉的質(zhì)量級別。而基于計算機(jī)視覺和智能識別相結(jié)合的技術(shù)可以滿足以上需求，實現(xiàn)煙葉自動化分級。

3 視覺識別技術(shù)在煙葉分級中的應(yīng)用

3.1 圖像采集

想要以煙葉的外表形狀來地完成煙葉的正確分級，必須先完成機(jī)器的學(xué)習(xí)過程。所以，在煙葉分級之前需要向機(jī)器提供高清晰度的圖像，以便完成機(jī)器學(xué)習(xí)。采集高清晰度圖像時，為了拍到較高清晰度的圖片，需要具備獲取圖片所需的多種圖像設(shè)備，且需要有數(shù)碼相機(jī)、CCD圖像傳感器和高清晰度的掃描儀?；诓煌h(huán)境下的收集情況，選擇不同效果的影像收集設(shè)備，才能獲得最理想的收集效果。進(jìn)行煙葉圖像采集時，有時會因為一些外在的環(huán)境因素影響，導(dǎo)致圖像采集清晰度受到影響。但是，為了使后期機(jī)器的煙葉分級識別度及清晰度不受影響，必須解決一切外在的影響因素。另外，為了避免在煙葉分級中出現(xiàn)圖像不穩(wěn)定問題，需要對同一片煙葉進(jìn)行3次以上的圖像采集，并且將3次采集結(jié)果完整地記錄在系統(tǒng)中。同時，應(yīng)注意不要讓外部光線進(jìn)入采集的區(qū)域，因為如果有光線照射進(jìn)來，會影響煙葉分級及識別的準(zhǔn)確性。

3.2 圖像處理

拍攝圖像時，會受到照明條件、拍攝角度、拍攝位置等多種環(huán)境因素的影響。這些因素影響會導(dǎo)致煙葉采集的圖像質(zhì)量不高，對后期機(jī)器學(xué)習(xí)及機(jī)器識別造成一定的影響。所以，圖像采集完后不僅要對圖像進(jìn)行處理優(yōu)化，還需要把需要導(dǎo)入系統(tǒng)的圖像進(jìn)行預(yù)處理。這樣既能提高提高圖像的質(zhì)量及清晰度，優(yōu)化圖片中的噪點(diǎn)，提高機(jī)器后期的識別度及準(zhǔn)確性，還能去掉圖片中無關(guān)的圖像信息，增加圖片信息的有效性。此外，還能簡化圖像，減少機(jī)器后期的學(xué)習(xí)時間及成本。

3.3 煙葉外觀特征提取

在識別煙葉外觀的過程中，參考圖片可以提煉出與煙葉分類及等級相關(guān)的信息。因此，在此過程中，有必要提取與參考圖片的分類標(biāo)準(zhǔn)一致的信息，這是機(jī)器學(xué)習(xí)的重要指標(biāo)。在此過程中，機(jī)器將圖像的實現(xiàn)與圖像分類標(biāo)準(zhǔn)保持一致，并形成一個原始數(shù)據(jù)庫。以后的機(jī)器識別程序?qū)鶕?jù)原始數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行識別和分類。在設(shè)備的特定使用腳本中，系統(tǒng)會根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的要求提取需要識別的煙葉目標(biāo)的主要信息。

3.4 煙葉識別與分級

在煙葉識別及分級的過程中，需要將煙葉進(jìn)行模糊識別。模糊識別過程采用聚類模糊分析法，此分析法能相對合理地分析不確定的識別對象并進(jìn)行分組化，以便于以后能正確進(jìn)行識別。煙葉采集設(shè)備自動獲取進(jìn)入設(shè)備中的煙葉的圖像，簡化收集到的圖像，并提取與分級相關(guān)的有效信息。以上環(huán)節(jié)完成后，系統(tǒng)會將識別到的圖像與分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核實，依照分級標(biāo)準(zhǔn)將識別到的煙葉圖像進(jìn)行合理的劃分，最后把煙葉分級結(jié)果上傳到用戶的計算機(jī)設(shè)備上。另外，系統(tǒng)會提供相關(guān)的質(zhì)量水平分析及參考建議，以便用戶參考。

4 結(jié)語

隨著煙草市場對煙葉分級的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工分級技術(shù)越來越不能滿意企業(yè)的需求及要求，因此智能化識別技術(shù)勢必會替代人工技術(shù)。煙草圖像采集及識別相關(guān)技術(shù)正在逐步成熟，但仍有一些亟待解決的問題。而通過對核心問題的專題研究與核心技術(shù)的整合，結(jié)合煙草分級工作的實際需要和煙葉分級專家積累的寶貴經(jīng)驗，逐步完善煙葉智能化分級系統(tǒng)，有助于促進(jìn)煙草行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。